3Prehľad a základná charakteristika MPEG štandardov

Ako už bolo spomenuté digitálna televízia vysiela digitálny signál ale multimediálny obsah, t.j. video a audio signály prichádzajú zo zdrojov ako analógové signály a preto musia byť prevedené do digitálnej podoby (pomocou analógovo-digitálneho konvertora).

Analógový video (televízny) signál, ktorý potrebuje šírku pásma 5 MHz v prípade štandardného európskeho televízneho signálu s 625 riadkami, má 720 pixelov (bodov) na riadok, čo dáva 414720 pixelov (576x720) na jednu snímku. Po digitalizácii by takýto čiernobiely video signál (s frekvenciou 25 snímok/s) vyžadoval dátovú rýchlosť približne 83 Mbit/s (v prípade farebného videa až 250 Mbit/s). Tieto bitové rýchlosti sú príliš vysoké a takmer nenasaditeľné v reálnych komunikáciách (napr. v satelitných systémoch). Našťastie video signály ako aj audio signály obsahujú veľa nadbytočnej informácie, ktorú je možné odstrániť pomocou vhodnej kompresnej metódy. Aplikáciou kompresie je možné pôvodnú bitovú rýchlosť znížiť (podľa výslednej kvality obrazu a rozlíšenia) až na niekoľko Mbit/s.

Redundantná informácia reprezentuje (napríklad) informáciu, ktorú je možné predpovedať a preto nie je potrebné ju prenášať, keďže prijímač ju dokáže doplniť. Kompresné techniky sa tiež spoliehajú na obmedzenia spojené s ľudským vnímaním akustickej a vizuálnej informácie. Audio signály obsahujú určité tóny, ktoré nie sú počuteľné ľudským uchom a preto informácia o nich môže byť odstránená zo signálu. Video signály obsahujú množstvo informácie, ktorá sa opakuje v po sebe idúcich snímkach a na základe tohto princípu je možné vhodnými algoritmami znížiť množstvo obrazových dát prenášaných z vysielača k prijímačom.

Na kompresiu digitálnych fotografií (obrázkov) bol definovaný formát JPEG, ktorý využíva diskrétnu kosínusovú transformáciu. V prípade pohyblivých obrázkov (videa) bola založená skupina MPEG (Moving Pictures Experts Group) s úlohou vyvinúť efektívne kompresné techniky pre prácu s videoklipmi na počítačoch a ich prenos medzi počítačom a inými zariadeniami.

Technológia DVB si osvojila kompresné štandardy skupiny MPEG [2].

Prvý štandard definovaný touto skupinou bol MPEG-1. Tento štandard poskytuje strednú kvalitu videa pri nízkych konštantných bitových rýchlostiach do 1,5 Mbit/s pre interaktívne systémy s uložením videa na média CD-ROM. Taktiež sa stal populárny pre distribúciu videoklipov cez Internet. MPEG-1 ale nebol schopný nahradiť analógovú televíziu. Na základe princípu použitom v MPEG-1 bol vyvinutý nový štandard MPEG-2. Jeho definícia bola ovplyvnená potrebou zakódovať štandardnú televíziu a jej následné šírenie pozemne, káblami alebo satelitom.

Štandard MPEG-2 je optimalizovaný pre vysielanie (broadcasting) a tiež vyššie bitové rýchlosti (2 Mbit/s a vyššie) podľa výslednej kvality videa a rozlíšenia. Taktiež sa hodí na uchovanie filmov napríklad na média DVD. Štandard MPEG-2 je kompatibilný s MPEG-1 čo znamená, že MPEG-2 dekodér dokáže dekódovať všetky elementárne toky zakódované štandardom MPEG-1.

Štandard MPEG-4 publikovaný v roku 1998 ponúka kódovanie audio vizuálnych objektov.

Tento štandard obsahuje komplexnejšie algoritmy, ktoré mu umožňujú poskytnúť používateľom video rovnakej kvality ako MPEG-2 ale pri nižších bitových rýchlostiach. MPEG-4 podporuje množstvo bitových rýchlostí a môže byť použitý tiež pre IPTV s nízkymi rýchlosťami ako aj pre distribúciu televízie vo vysokom rozlíšení. ITU štandardizovala tento štandard ako H.264.

Štandard MPEG-2 (rovnako ako štandard MPEG-1) definuje tri hlavne časti:

  • MPEG-2 systém – špecifikuje, ako sa vytvorí finálny tok MPEG-2,
  • MPEG-2 video – špecifikuje, ako sa zakódujú jednotlivé elementárne video toky,
  • MPEG-2 audio – špecifikuje, ako sa zakódujú jednotlivé elementárne audio toky.

MPEG-2 video kodér zakóduje nekomprimované snímky videa, čím sa rovnako veľké snímky premenia na komprimované snímky (prístupové jednotky, obr. 3) s rozličnou veľkosťou. Ich veľkosť závisí od zložitosti pôvodného obrazu a typu každej snímky, pričom existujú tri typy snímok I, P a B [2]:

MPEG-2 video kodér vyprodukuje postupnosti I, P a B snímok sformované do skupín snímok (GOP, groups of pictures). Každá skupina GOP začína snímkou I nasledovanou P alebo B snímkami (Obr. 4). Prítomnosť a počet P a B snímok v jednej GOP ovplyvňuje výslednú mieru kompresie, oneskorenie spôsobené kódovaním, možnosť editácie videa a šírenie chýb vo video toku.

Komponent MPEG-1 audio definuje tri audio vrstvy: Vrstva I (Layer I, kodek sa najčastejšie používal v digitálnych audio kazetách od Philipsu), Vrstva II (Layer II, efektívnejší kodek pre audio s konštantnou bitovou rýchlosťou od 32 do 192 kbit/s na kanál), Vrstva III (Layer III, populárny formát MP3). MPEG-2 rozširuje tieto audio kodeky o možnosť kódovať viac ako dva audio kanály (až do 5 kanálov) a o ďalšie audio kodeky (MPEG-2 AAC).

S príchodom UHD (ultra high definition) rozlíšení (4K ako 3840x2160 a 8K ako 7680x4320) vznikla požiadavka na ešte efektívnejšie video kodeky. Kodek H.264/MPEG-4 AVC bol rozšírený, aby podporoval aj tieto rozlíšenia. Nový kompresný štandard bol definovaný a štandardizovaný v roku 2013 - H.265/MPEG-H. Označuje sa ako štandard HEVC (High Efficiency Video Coding). V porovnaní s predchádzajúcim kodekom štandard HEVC dokáže zdvojnásobiť úroveň kompresie pri rovnakej kvalite videa.

image
Obr. 3 – Činnosť MPEG-2 kodéra
image
Obr. 4 – Štruktúra GOP pre kodér videa MPEG